Определение притока воды к водозаборным скважинам. Выбор типа и расчет фильтров для водозаборных скважин

Скважинный водозабор принимается для получения большого объема воды при относительно глубоком (более 15 м) залегании водоносного пласта и при его мощности не менее 5-10 м.

Для откачки из подземных вод принимается обычно групповой водозабор, состоящий из нескольких скважин.

Скважины в групповом водозаборе могут работать как взаимодействующие (при расстоянии между скважинами меньше удвоенного радиуса влияния) и как невзаимодействующие (при расстоянии между скважинами не менее удвоенного радиуса влияния). Невзаимодействующие рассматриваются как одиночные скважины. Дебиты взаимодействующих скважин меньше, чем невзаимодействующих. Чтобы получить тот же дебит необходимо принимать уровень понижения воды больше, чем в невзаимодействующих.

На практике предпочтение отдают взаимодействующим скважинам, так как при этом сокращается длина водоводов, линий энергоснабжения, связи и т. д., что приводит к снижению стоимости строительства водозабора в целом.

Расстояние между скважинами назначается на основании ТЭР.

Для неограниченных пластов проводимостью 300-600 м²/с принимается 150-300м соответственно. Меньшие значения принимаются для скважин с расчетным дебитом около 1000м³/сут (40 м³/ч), большие значения принимаются для скважин с расчетным дебитом около 5000 м³/сут (200м³/ч).

Для полуограниченных и пластах-полосах расстояние между скважинами принимается 50-100 м.

Понижение уровня воды в скважинах принимается предельно допустимым. Для напорных и безнапорных пластов должно быть равно соответственно

S=Z_ст –Z_в1 (1)

S=0,5H_o (2)

где Z_ст и Z_в1 – отметки статического уровня воды и нижней поверхности верхнего водоупора напорного пласта; H_o – мощность безнапорного водоносного пласта.

Схема расположения водозаборных скважин принимается в зависимости от типа пласта и ТЭР.

· В полуограниченных пластах принимают линейное расположение скважин вдоль уреза воды. Минимальное расстояние от уреза воды для скважин хоз-питьевого назначения принимается 50 м.;

· В пласте-полосе (междуречье) скважины располагают в линейный ряд, вдоль уреза одного из поверхностных источников. Минимальное расстояние от уреза воды для скважин хоз-питьевого назначения принимается 50 м;

· В неограниченных пластах принимается кольцевая схема расположения скважин, так как при этом обеспечивается их минимальное фильтрационное сопротивление.

Определение параметров скважинных водозаборов производится в следующей последовательности:

1. назначают предположительную производительность скважины;

2. определяют требуемое число скважин в водозаборе;

3. производят выбор типа фильтра и определяют его параметры;

4. выбирают оптимальную схему водозабора;

5. определяют расчетный дебит водозабора;

6. при совпадении с ранее намеченным дебитом расчет заканчивают;

7. при несовпадении расчетный дебит принимают за исходный и раcчет повторяют до совпадения дебитов.

Скважины используются, как правило, взаимодействующие и несовершенные.

Дебит при напорном пласте определяется по формуле:

Дебит при безнапорном пласте определяется по формуле:

где К – коэффициент фильтрации водоносных пород пласта(м/с, м/ч, м/сут) в зависимости от принятой размерности дебита;

М, Н_о- мощность напорного и безнапорного пласта соответственно, м;

S – понижение уровня воды в скважине, м;

Ф – безразмерное фильтрационное сопротивление пласта для рассматриваемой скважины;

, –дополнительные сопротивления скважины, обусловленные ее несовешенством по степени вскрытия пласта.

Безразмерное фильтрационное сопротивление пласта Ф определяется в зависимости от типа пласта, диаметра фильтра скважин и схемы расположения скважин.

Для одиночной скважины, расположенной в неограниченном пласте

Для линейного расположения скважин в неограниченном пласте:

Для линейного расположения скважин в полуограниченном пласте:

Для линейного расположения скважин в пласте-полосе:

Для кольцевого расположения скважин в неограниченном пласте:

Для кольцевого расположения скважин в ограниченном пласте:

где R – радиус влияния скважины, м;

r_c – радиус водоприемной поверхности фильтра скважины, м, с учетом всех слоев обсыпки;

l – принятое расстояние между скважинами, м;

l_c – радиус кольцевой системы скважин, м;

n – число скважин в кольцевой системе скважин;

Z – расчетное удаление ряда скважин от уреза воды с учетом несовершенства берегового водоисточника, м;

Z₁, Z₂ – тоже относительно уреза первого и второго источников, м;

h_ср – средняя площадь пласта у берегов рассматриваемых источников.

Радиус влияния скважин зависит от особенностей используемого пласта и условий эксплуатации скважин. При отсутствии данных радиус влияния принимают по характеристики водовмещающих пород:

- песок мелкий(0,1-0,25 мм) - 50-100м

- песок среднезернистый(0,25-0,5мм) – 100-300м;

- песок крупнозернистый(0,5-1 мм) - 300-400м;

- песок гравелистый(1-2 мм) – 400-500м

- гравий мелкий(2-3мм) – 500-600м;

- гравий средний(3-5мм) – 600-1500м;

- гравий крупный(5-10мм) – 1500-3000м.

Число скважин в водозаборе должно быть не менее

n=Q_в/Q_c (11)

где Q_в – требуемая производительность водозабора;

Q_c – расчетная производительность скважины.

Типы и конструкция фильтров водозаборных скважин принимаются согласно СНиП 2.04.02-84 «Водоснабжение. Наружные сети и сооружения»

Таблица1 – Выбор типа фильтра

Размеры отверстий фильтров без устройства гравийной обсыпки принимаются по таблице 2.

Таблица 2 – Размеры отверстий фильтра

Примечание: 1. В таблице 2 К_н= d₆₀/ d₁₀; d₆₀, d₅₀,d₁₀– размеры частиц, меньше которых в породе водоносного пласта содержится соответственно 10, 50 и 60% (определяется по графику гранулометрического состава).

2. Меньшие значения коэффициентов при d₅₀ относятся к мелкозернистым породам, большие - к крупнозернистым.

Размеры отверстий фильтров при устройстве гравийной обсыпке, должны приниматься равными среднему диаметру частиц слоя обсыпки, примыкающего к стенкам фильтра.

Скважность трубчатых фильтров с круглой или щелевой перфорацией должна быть 20-25%, фильтров из проволочной обмотки или штампованного стального листа – не более 30-60%.

В качестве обсыпки фильтров надлежит применять песок, гравий и песчано-гравийные смеси.

Подбор механического состава материалов обсыпок производится по соотношению:

Д₅₀ / d₅₀ = 8–12

где Д₅₀ – диаметр частиц, меньше которого в обсыпке содержится 50%

Внутренний диаметр (фильтровой колонны) высокодебитной скважины назначается из условия обеспечения возможности размещения в нем погружного насоса для откачки из скважины расчетного расхода воды. Он принимается равным

d_ф^вн=d_дв+2δ (12)

где d_дв – диаметр двигателя погружного насоса, который намечается использовать для откачки воды из скважины;

δ – рабочий зазор между двигателем насоса и внутренней поверхностью фильтровой колонны, принимаемый в пределах 25 мм.

Такого же размера принимается и диаметр обсадной колонны высокодебитных скважин с устройством затрубной обсыпки фильтрующим материалом и цементации в верхней ее части. Наружный диаметр фильтра высокодебитной скважины (диаметр его водоприемной поверхности) принимается равным диаметру бурения скважины в пределах отметок установки фильтра. Пре бурении скважин роторным способом с обратной промывкой этот диаметр сохраняется одинаковым по всей высоте скважины. Пространство между внешним и внутренним диаметром фильтра заполняется одним или несколькими слоями песочно-гравийной обсыпки, что обуславливает высокую надежность и эффективность работы таких скважин.

Длина рабочей части фильтра принимается из условия обеспечения допустимой скорости входа в него воды υ_доп. При выбранном наружном диаметре фильтра d_фн и производительности скважины Q_c она должна быть не менее

Допустимая скорость воды в фильтре определяется в зависимости от характеристики водовмещающих пород пласта. Если в этих породах размеры зерен меньше 1 мм находятся в пределах 60%, то υ_доп принимается равной 345 м/сут или 0,004 м/с. Если же размеры зерен менее 0,5 мм находятся в пределах 40%, то υ_доп принимается равной 86 м/сут или 0,001 м/с. Если данные о гранулометрическом составе водовмещающих пород отсутствуют, величину υ_доп, м/сут, можно определить по величине их коэффициента фильтрации К, м/сут по формулам

для необсыпных фильтров

(14)

для обсыпных фильтров

где , – средние диаметры частиц соответственно для пород и примыкающего к нему слоя обсыпки;

К - в м/сут.

Фильтр скважины размещается обычно в верхней части пласта с удалением его от нижней кромки верхнего водоупора на 0,5-1,0 м. В отдельных случаях он может размещаться и в середине пласта.

В конце каждого фильтра предусматривается глухая его часть длиною 2м, играющая роль отстойника для профильтровавшихся взвешенных частиц.

По величине определяют степень вскрытия фильтров пласта и величину дополнительного сопротивления скважины на ее несовершенство по степени вскрытия и характеру вскрытия пласта.

где М – фактическая мощность напорного пласта или

М=H_o-0,5S – расчетная мощность безнапорного пласта.

Следует отметить, что в данных расчетах участвует лишь только рабочая часть фильтра безнапорных скважин. Полная длина фильтров этих скважин может быть значительно больше рабочей и простирается выше динамического уровня дополнительно на всю высоту их понижения, т.е. может быть равной:

Затопленные фильтры безнапорных скважин имеют длину и располагаются на величину ∆h_з ниже динамического горизонта в скважине. Величину определяют по таблицам 3 и 4 в зависимости от значения е, и места расположения фильтра в пласте и М/r_c

Таблица 3 – Для фильтров, расположенных в верхней части пласта с примыканием их к верхнему водоупору напорных скважин

величина e=lф/М	значение коэффициента при М/rc, равном
0,05 0,1 0,3 0,5 0,7 0,9	1,2 1,0 0,65 0,33 0,12 0,01	6,3 5,2 2,4 1,1 0,44 0,06	17,8 12,2 4,6 2,1 0,84 0,15	21,8 7,2 3,2 1,3 0,27	27,4 8,8 3,9 1,6 0,34	35,1 10,9 4,8 0,43	75,5 40,9 12,4 5,5 2,3 0,5	84,5 46,8 14,1 6,2 2,6 0,58

Таблица 4 – Для фильтров, расположенных в верхней части пласта с примыканием их к пьезометрической поверхности безнапорных скважин (возможно к нижнему водоупору)

величина e=lф/М	значение коэффициента при М/rc, равном
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8	0,80 0,60 0,45 0,25 0,10 0,05 0,00	2,00 1,25 1,10 0,80 0,35 0,20 0,05	7,00 4,80 3,20 2,10 1,70 0,90 0,10	15,20 9,30 5,80 3,90 2,25 1,25 0,30	20,50 11,80 7,20 4,80 3,20 2,00 0,75	29,00 16,00 9,60 6,10 4,15 2,40 0,95	36,00 19,50 11,30 7,00 4,80 3,10 1,10	38,00 22,40 13,10 8,00 5,20 3,60 1,20

Величину можно определить также и по формуле:

где –показатели степени, принимаемые равными соответственно 2,5 и 1,9 для случая применения фильтра к одному из водоупоров, и 3,0 и 2,0 – для случая расположения фильтра в средней части пласта.

Коэффициент сопротивления фильтра определяется расчетным путем с учетом типа фильтра, размеров и особенностей его элементов. Если известен его тип и проектируемая производительность скважин, значение предварительно может быть оценено формуле

где а – параметр фильтра, принимаемый равным 6-8 для дырчатых и щелевых фильтров, 8-10 - для каркасно-щелевых фильтров с проволочной обмоткой и однослойной гравийной обсыпкой; 10-15 – для фильтров из штампованного листа с однослойной песчано-гравийной обсыпкой и 15-25 – для сетчатых фильтров;

- средняя мощность пласта в районе действия скважины, принимаемая равной для напорных и – для безнапорных скважин.

В тех случаях, когда тип, конструкция и размеры всех элементов фильтра скважины известны, величина фильтра может быть определена по формулам соответственно для ламинарного и турбулентного режимов их работы:

где K,M – известные параметры пласта(м/сут и м);

Q_c – производительность скважины,м³/сут;

r_{i 1} и r_{i 2} – соответственно наружный и внутренний радиусы слоев фильтра;

n – число слоев фильтра, включая его каркас, водоприемную конструкцию и различные слои обсыпки;

S_i – толщина отдельных слоев фильтра;

r_{i ср} – их средние радиусы;

К_i – коэффициент фильтрации слоев, м/сут;

C_i – коэффициент, учитывающий возрастание сопротивления фильтра за счет контакта отдельных его слоев.

Величину К для сеток, каркасов, перфорированных и щелистых труб рекомендуется отделять по формуле:

(23)

где – скважность этих элементов;

, – параметры связи между величинами и.

Значения и в расчетах принимаются соответственно равными:

0,65 и 1,20 для пластмассовых каркасов с горизонтальными фрезерованными отверстиями;

0,045 и 0,70 для фильтр-каркасов с мостообразными отверстиями для отклонения гравия;

0,197 и 1,00 для фильтр-каркасов из штампованных материалов с мостообразными отверстиями для отклонения гравия;

0,40-1,40 – для щелевых фильтров с ребристой водоприемной поверхностью с вертикальными щелями;

0,13 и 1,00 – для щелевых фильтров с ребристой водоприемной поверхностью с горизонтальными щелями;

0,105 и 1,00 – для сетчатых фильтров и сеток квадратного плетения.

Величина слоев обсыпки К_i определяется по формуле (23) в зависимости от их пористости и среднего диаметра частиц.

Значения коэффициента С_i при контактировании песчаных или песочно-гравийных слоев между собою принимаются равными 1,2-1,5, а при контактировании их с сетками или проволочной обмоткой –1,5-2,0.

Режим работы фильтра устанавливается по фактической скорости движения через него воды. Если эта скорость меньше критической, режим движения воды принимается ламинарным, если же равна или больше критической – турбулентным.

Величину критической скорости фильтрации (м/с) определяют по формуле

где р – коэффициент пористости фильтрующего материала;

d – средний диаметр частиц этого же материала в мм.

При проектировании скважинных водозаборов вопросы определения притока воды к скважинам и размеров их фильтров решаются одновременно путем последовательного их уточнения, так как их параметры взаимно увязаны и обуславливают работу друг друга.

Взаимное уточнение дебита скважин и параметров их фильтра производят до тех пор, пока они не станут взаимно приемлемыми.

Число резервных скважин назначается в зависимости от категории надежности водозабора и от числа рабочих скважин:

- на водозаборах 1,2,3 категории надежности с числом рабочих скважин до 4 принимается 1 резервная скважина;

- на водозаборах 1,2 категории надежности с числом рабочих скважин 5-12 принимается 2 и 1 резервная скважина соответственно;

- на водозаборах 3 категории надежности резервные скважины не принимаются;

- на водозаборах 1,2 категории надежности с числом рабочих скважин 13 и более принимается соответственно 20% и 10% от общего количества число резервных скважин.

Общее число скважин в водозаборе:

n_c=n_раб+n_рез (25)

n_раб=Q_в/Q_с (26)

Поиск по сайту: